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赶在麒麟990发布前 谈华为功臣麒麟芯片发展史

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我们在价值平衡上,即使做成功了,(芯片)暂时没有用,也还是要继续做下去。一旦公司出现战略性的漏洞,我们不是几百亿美金的损失,而是几千亿美金的损失。我们公司积累了这么多的财富,这些财富可能就是因为那一个点,让别人卡住,最后死掉。……这是公司的战略旗帜,不能动掉的。——任正非

  说到华为的自研芯片,大家首先从脑海里想到的肯定是海思麒麟系列。没错,正是因为有了自主研发的手机芯片——海思麒麟,华为才能快速占据市场制高点,并且成为了中国手机行业的NO1。

  海思麒麟芯片,是华为与苹果,三星平起平坐的底气所在。那么海思麒麟从何时开始发展,又有着怎样的经历?下面,笔者将简述华为海思麒麟芯片研发的坎坷之路。在探讨之前,我们需要先了解芯片的制造过程。

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  一个芯片是怎样设计出来的?设计出来的芯片是怎么生产出来的?希望看完这篇文章你能有大概的了解。

  硅(SiO2)——芯片的基础

  一个看起来只有指甲盖那么大芯片,里面却包含着几千万甚至几亿的晶体管,想想就觉得不可思议,而在工程上这又是如何实现的呢?

  芯片其主要成分就是硅。硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在。

  硅锭

  硅(SiO2)一直被称为半导体制造产业的基础,就是因为它能够制成一个叫晶圆的物质,而首先我们需要把硅通过多步净化熔炼后变为硅锭(Ingot)。然后再用金刚石锯对硅锭进行切割,才会成为一片片厚薄均匀的晶圆。

  光刻胶层透过掩模被曝光在紫外线(UV)之下,形成电路图案

  接下来需要一样叫光刻胶的物质去铺满它的表面,光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下,变得可溶,期间发生的化学反应。掩模上印着预先设计好的电路图案,紫外线透过它照在光刻胶层上,就会形成微处理器的每一层电路图案。

  晶体管形成

  到了这一步还要继续往下走,我们还需要继续浇上光刻胶,然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

  晶体管形成过程

  然后就是重要的离子注入过程,在真空系统中,用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射固体材料,从而在被注入的区域形成特殊的注入层,并改变这些区域的硅的导电性。

  离子注入完成后,光刻胶也被清除,而注入区域(绿色部分)也已掺杂了不同的原子。到了这一步,晶体管已经基本完成。

  晶圆切片与封装

  然后我们就可以开始对它进行电镀了,操作方法是在晶圆上电镀一层硫酸铜,将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。电镀完成后,铜离子沉积在晶圆表面,形成一个薄薄的铜层。

  其中多余的铜需要先抛光掉,磨光晶圆表面。然后就可以开始搭建金属层了。晶体管级别,六个晶体管的组合,大约为500nm。在不同晶体管之间形成复合互连金属层,具体布局取决于相应处理器的功能设计。

  晶圆

  芯片表面看起来异常平滑,但事实上放大之后可以看到极其复杂的电路网络,打个比方,就像复杂的高速公路系统网。

  接下来对晶圆进行功能性测试,完成后就开始晶圆切片(Slicing)。完好的切片就是一个处理器的内核(Die),测试过程中有瑕疵的内核将被抛弃。

  图片说明

  最后就是经封装,等级测试,再经过打包后,就是我们见到的芯片了。

  图解处理器的制造过程

  简单地说,处理器的制造过程可以大致分为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装上市等诸多步骤,而且每一步里边又包含更多细致的过程。

  芯片设计

  这里讲到的芯片制造就如此复杂,更不要说工程师最开始的芯片功能设计了。由此我们也可以联想到,华为海思麒麟发展至今着实不容易,下面就让我们来简谈一下它的发展史吧。

  开端:主攻消费电子芯片

  说到麒麟就离不开说到海思半导体公司,它成立于2004年10月,前身是创建于1991年的华为集成电路设计中心,也就是这一刻,拉开了华为对于自主芯片的征战序幕。自那时开始的十几年间,该公司一直致力于设计生产ASIC。

  任正非高瞻远瞩,大手一挥,华为要做自己的手机芯片。现在想想,这真的是个伟大的决定。如今华为所获得的成功,说有海思一半的功劳也不为过。

  正式成立后的海思团队主要专注三部分业务:系统设备业务,手机终端业务和对外销售业务。由于常年与通讯巨头合作,海思的3G芯片在全球范围内获得了巨大的成功,在通讯领域的积累,也为后来华为海思的成功奠定了重要的基础。

  老兵戴辉曾讲述,PSST委员会(Products and Solutions Scheme Team,管产品方向)主任是徐直军,他从战略层面对海思进行管理。后来的很多年里,他都是海思的Sponsor和幕后老大。

  已赴任欧洲片区总裁的徐文伟还兼任了海思总裁一职,参与战略决策,并从市场角度提需求。海思的具体工作由何庭波和艾伟负责,何庭波后来成为了海思的负责人,艾伟则分管Marketing。

  2004年成立时主要是做一些行业用芯片,用于配套网络和视频应用。并没有进入智能手机市场。

  当然,芯片的研发,不是三天两头就能拿出作品的事情,虽然2004年10月正式成立,直到2009年,时隔五年华为才拿出第一款手机芯片,命名K3V1,但由于第一款产品在很多方面依然不够成熟,迫于自身研发实力和市场原因都以失败告终。

  2012年,华为发布了K3V2,号称是全球最小的四核ARM A9架构处理器。集成GC4000的GPU,40nm制程工艺, 这款芯片得到了华为手机部门的高度重视,直接商用搭载在了华为P6和华为Mate1等产品上面,可谓寄予厚望,要知道当初华为P6是作为旗舰产品定位。

  但由于其芯片发热过于严重且GPU兼容性太差等,使得该芯片被各大网友所诟病。但华为顶着压力坚持数款手机采用该芯片,当时华为芯片被众人耻笑,接下来华为开始了自己的刻苦钻研。

  经过两年的技术沉淀,到了2014年初,海思发布麒麟910,也从这里开始改变了芯片命名方式,作为全球首款4核手机处理器,改用了Mali-450MP4 的GPU。

  麒麟910

  值得一提的是,麒麟910首次集成华为自研的巴龙Balong710基带,制程升级到28nm,把GPU换成Mali。麒麟910的推出放在了华为P6升级版P6s首发。这是海思平台转向的历史性标志,也是日后产品获得成功的基础。

  2014年6月,随着荣耀6的发布,华为给我们带来了麒麟920,这款新品又是一个大的进步,又是一个新的里程碑。

  麒麟920

  作为一颗28nm的八核心soc,还集成了音频芯片、视频芯片、ISP,集成自研第一款LTE Cat.6的Balong720基带,使得荣耀6成为全球第一款支持LTE Cat.6的手机。也是从麒麟920开始,麒麟芯片受到如此多的肯定,而当年搭载该芯片的荣耀6可谓是大火,其销量已经证明。

  同年,海思还带来了小幅度升级的麒麟925与麒麟928,主要在于主频的提升,开始集成协处理器。925这款芯片用在华为Mate 7上,创造了华为Mate 7在国产3000价位上高端旗舰的历史,全球销量超750万,此时此刻,麒麟芯片终于赶上了华为手机的发展步伐!

  华为Mate 7

  华为Mate 7和苹果和三星的新机型都在同月发布。当时华为对贸然进入高端市场并没有太大的信心,没想到苹果和三星在关键时候都掉了链子。

  最为着名的就是,苹果是因为好莱坞艳照门事件以及未在中国境内设服务器,谁也不知道信息传到哪里去了,因此被质疑有安全隐忧,当然现在在贵州设了服务器。

  当然除了9系处理器,在2014年12月,海思给我们带来了一个中端6系,发布麒麟620芯片。它是海思旗下首款64位芯片,集成自研Balong基带、音视频解码等组件。

  这款芯片陆续用在荣耀4X、荣耀4C等产品上,其中荣耀4X成为华为旗下第一款销量破千万的手机。海思在试着向公众证明,海思除了能做出飙性能的高端芯片,也能驾驭功耗平衡的中端芯片。

  麒麟930

  2015年3月,发布麒麟930和935芯片,这系列芯片没有过多亮点,依然是28nm工艺,但是海思巧妙避开发热不成熟的A57架构,转而使用提升主频的能耗比高的A53架构,借着功耗优势,借着高通810的发热翻车,麒麟930系列打了一个漂亮的翻身仗。

  同年5月,发布麒麟620升级版麒麟650 ,全球第一款采用16nm 工艺的中端芯片。海思旗下第一款集成了CDMA的全网通基带SoC芯片,这款芯片首发于荣耀5C,在后来,我们也看到了小幅度升级的麒麟650,以及打磨了一款又一款手机的麒麟659。

  2015年11月,发布麒麟950首发于华为Mate8。与之前不同的是,这次海思采用了16nm工艺,集成自研Balong720基带,首次集成自研双核14-bit ISP,集成i5协处理器,集成自研的音视频解码芯片,是一款集成度非常高的SoC。

  麒麟950

  它也是全球首款A72架构和Mali-T880 GPU的SoC,凭借着工艺优势,麒麟950的成绩优秀,除了GPU体验,其它各方面收到消费者众多的好评。

  2016年10月19日,华为麒麟麒麟960芯片在上海举行秋季媒体沟通会上正式亮相。麒麟960首次配备ARM Cortex-A73 CPU核心,小核心为A53,GPU为Mali G71 MP8。存储方面,支持UFS2.1,稍微遗憾的是依然采用的16nm制程工艺。

  麒麟960

  但是麒麟960开始,麒麟9系列解决了GPU性能短板,大幅度提升了华为/荣耀手机的GPU性能,在游戏性能方面,不再是麒麟芯片的大短板。麒麟960在华为Mate9系列首发,后续还用在了荣耀V9等产品上。

  2017年9月2日,在德国国际消费类电子产品展览会上,华为发布人工智能芯片麒麟970,它首次采用台积电10nm工艺,与高通最新的骁龙835芯片是一个工艺。

  麒麟970

  但集成55亿个晶体管远比高通的31亿颗、苹果A10的33亿颗的多,带来的是功耗降低20%。AI是此次麒麟970的“大脑”,AI技术的核心是对海量数据进行处理。该款芯片的发布使得华为步入了顶级芯片厂商行列。

  在2018年上半年,搭载麒麟970的华为P20pro由于出色的拍照性能,受到外界一致好评。当时P20与P20 Pro,已经一跃成为手机拍照界翘楚,长期霸榜专业相机评测网站DXO。

  视角来到现在,麒麟980处理器,全球首款7nm处理器赚足了噱头。最高主频高达2.6Ghz,全面升级的CPU、GPU、新的双核NPU,再有GPU Turbo加持,这也让华为Mate 20大放异彩。

  当然文中还有一些海思麒麟的芯片没有提到,这里主要说了一下麒麟9系列的旗舰芯片。新的麒麟710、810大家或许也都有所了解。总之,华为海思麒麟芯片自研这条路还有很长,但在可以预见,未来华为也将会继续披荆斩棘,向前迈近。

  最后来说一下最新消息对于所有关注华为的花粉来说,下半年的重头戏有两场,一场是麒麟990首发,另一场就是紧接着的华为Mate 30系列新旗舰发布了。如今,华为官方消息称,9月6日IFA 2019大展将揭晓重磅新品,不出意外就是麒麟990了。

  华为终端官方截图

  据此前消息,麒麟990将又发台积电的7nm EUV工艺,同时有极大可能首次集成5G基带。不出意外,除了工艺升级之外,麒麟990将在麒麟980基础上继续性能拔高,同时还有望采用自主研发的达芬奇架构NPU,此前麒麟810已经采用。

  写在最后

  一路走来,海思手机芯片从零开始,从备受骂声到现在跻身行业前列,不惜代价的重金投入搞研发,有过荣誉也有过挫折,希望会有更多的中国企业也能像海思麒麟一样,坚持不懈,厚积薄发,早日让关键技术掌握在自己手上。

  在即将到来的麒麟990上面,华为会给我们带来什么样的亮点,我们还不得而知,这要等到发布会才能揭晓。面对未知,我们不妨期待一下。

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